質譜成像揭秘：PM2.5暴露影響后代認知情緒更差

香港浸會大學環境與生物分析國家重點實驗室蔡宗葦教授團隊題為“Airborne fine particulate matter induces cognitive and emotional disorders in offspring mice exposed during pregnancy”的文章在線發表于Science Bulletin。區別于傳統環境毒理學的研究方法，該研究結合質譜成像和組學技術以及分子生物學技術, 分析了妊娠期大氣細顆粒物（空氣動力學直徑≤2.5 μm, PM2.5）對子代認知和情緒發展的影響，為精準探索跨代際PM2.5毒性與神經退行性相關疾病的研究提供了重要信息。
PM2.5組成成分極為復雜多樣，可通過多種方式進入肺泡并產生沉積，繼而通過肺細胞滲透至血液循環系統進入全身，甚至可穿過胎盤和胎兒血腦屏障影響子代的生長發育。流行病學研究已證實PM2.5暴露可增加神經退行性疾病的發病風險。然而，妊娠期PM2.5暴露對子代行為、相關作用機制以及相關靶器官定位的影響尚不清楚。蔡宗葦團隊結合組織形態學、質譜2D/3D成像技術和分子生物學, 選取山西太原地區冬季PM2.5標本，參考PM2.5日均濃度和成年小鼠的呼吸量選擇暴露濃度，研究妊娠期暴露PM2.5小鼠母體-胎盤-胎兒(E18)-成年子代，重要發現如下：

1器官損傷和行為變化

動物行為學實驗結果表明，妊娠期PM2.5暴露誘導雌性子代小鼠發生顯著的認知和情緒障礙。形態學結果發現PM2.5暴露導致雌性子代小鼠海馬CA1、CA3和DG微區神經元細胞數量顯著減少，Nissl小體結構紊亂，胞漿減少，以及CA3和DG微區結構松散和萎縮。海馬區組織形態學的顯著變化與子代行為的改變密切相關。相對而言，雄性子代形態學變化并不顯著。

胎盤的主要功能是在胎兒和母親之間傳遞廢物和營養，在調節胎兒-母體免疫系統和介導母體血液中外源化合物方面發揮重要作用，并分泌激素來影響胎兒的發育生長。該研究形態學結果表明除了母體蛻膜區之外，經過PM2.5暴露的雌性胎盤連接層中滋養巨細胞形狀不規則、分散并增大，海綿狀滋養細胞減少。這些變化都可引起激素分泌失調，影響血管生成和組織重塑。此外，雌性胎盤迷宮區域的細胞滋養層發生鈣化，可能導致胎盤屏障的破壞和功能障礙，并影響胚胎發育。

2靶器官精準定位

脂質小分子在母體-胎盤-胎兒系統中發揮重要功能，可維持腦細胞膜結構的完整性和細胞內-細胞間信號的傳遞，并調控胎盤功能。以質譜為基礎的2D和3D成像技術，是一種免標記、高通量和高靈敏度的分析技術，廣泛應用于細胞、組織和人體腫瘤中生物小分子、大分子和金屬離子的原位定性、定量和定位分析。該團隊將質譜成像技術擴展到環境污染物毒理學研究中，對污染物和相關的生物標志物、代謝產物進行空間分析(Chao Zhao， et.al， Environ. Int. 2020. 135: 105378; J. Hazard. Mater. 2018, 358: 503; Anal chem. 2018， 90， 3196; Chin. Chem. Lett. 2018, 29, 1281)。
該研究選取小鼠子代海馬區、胎兒腦部、胎盤和胎兒性腺進行質譜和質譜成像研究，并對完整小鼠胎兒進行3D質譜成像。與組織形態學結果比較，能夠精確鑒定出PM2.5暴露相關的靶器官，包括胎兒腦部的背側大腦皮層和海馬形成微區、子代海馬體和胎盤的迷宮和連接微區。所得到的結果通過對阿爾茲海默癥相關的轉基因小鼠模型和帕金森患者腦脊液的分析得到了驗證(圖1)。

圖1 代表性脂質小分子(SM (d44:1))在小鼠組織中的空間分布: (a) 完整胎兒3D質譜成像; (b)胎兒2D質譜成像; (c) 成年子代小鼠腦成像 

3性別差異相關的分子機制初探

神經炎癥、趨化細胞因子、母體-胎盤-胎兒系統中關鍵因子的合成代謝以及PM2.5樣本的復合毒性被認為是妊娠期PM2.5暴露可能導致后代行為障礙、造成性別差異的潛在因素，分子機制十分復雜。該研究選取母體-胎盤-胎兒系統為研究對象，對細胞炎癥因子(IL-1β和IL-10)、神經遞質5-羥色胺及其代謝途徑和脂質重編程進行分析， 研究發現妊娠期PM2.5暴露誘導的子代性別差異是多種因子共同調控的結果：與雄性子代相比，雌性子代多器官產生顯著地變化， 包括促炎作用上調、5-羥色胺合成減少以及甘油磷脂和鞘脂生物合成和降解的紊亂。其中，過度釋放促炎性細胞因子降低了5-羥色胺的合成(圖2)。研究結果有助于了解妊娠期PM2.5暴露對后代行為以及多器官重塑的影響，為闡明相關疾病發生的分子機制提供依據。

圖2 妊娠期PM2.5暴露誘導雌性子代發生認知和情緒行為障礙

該文章通訊作者是香港浸會大學環境與生物分析國家重點實驗室主任蔡宗葦教授，第一作者是中科院深圳先進院趙超副研究員。第一單位是香港浸會大學，參與研究的單位包括深圳市疾控中心、中科院生態環境研究中心和布魯克公司等。

來源：scichina1950 中國科學雜志社